En nano-robot bygget udelukkende af DNA til at udforske celleprocesser

At konstruere en lille robot ud fra DNA og bruge den til at studere celleprocesser, der er usynlige for det blotte øje.... Du ville blive tilgivet for at tro, det er science fiction, men det er faktisk genstand for seriøs forskning udført af forskere fra Inserm, CNRS og Université de Montpellier ved Structural Biology Centre i Montpellier. Denne meget innovative "nano-robot" skulle muliggøre nærmere undersøgelse af de mekaniske kræfter, der påføres på mikroskopiske niveauer, som er afgørende for mange biologiske og patologiske processer. Det er beskrevet i en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Communications .

Vores celler er udsat for mekaniske kræfter, der udøves i mikroskopisk skala, og udløser biologiske signaler, der er afgørende for mange celleprocesser, der er involveret i vores krops normale funktion eller i udviklingen af ​​sygdomme.

For eksempel er følelsen af ​​berøring delvist betinget af, at der anvendes mekaniske kræfter på specifikke cellereceptorer (hvis opdagelsen i år blev belønnet af Nobelprisen i fysiologi eller medicin). Ud over berøring muliggør disse receptorer, der er følsomme over for mekaniske kræfter (kendt som mekanoreceptorer), reguleringen af ​​andre vigtige biologiske processer såsom blodkarkonstriktion, smerteopfattelse, vejrtrækning eller endda detektering af lydbølger i øret osv.

Dysfunktionen af ​​denne cellulære mekanosensitivitet er involveret i mange sygdomme - for eksempel kræft:kræftceller migrerer i kroppen ved at lyde og konstant tilpasse sig de mekaniske egenskaber i deres mikromiljø. En sådan tilpasning er kun mulig, fordi specifikke kræfter detekteres af mekanoreceptorer, der overfører informationen til cellecytoskelettet.

På nuværende tidspunkt er vores viden om disse molekylære mekanismer involveret i cellemekanosensitivitet stadig meget begrænset. Adskillige teknologier er allerede tilgængelige til at anvende kontrollerede kræfter og studere disse mekanismer, men de har en række begrænsninger. Især er de meget dyre og tillader os ikke at studere flere cellereceptorer ad gangen, hvilket gør deres brug meget tidskrævende, hvis vi vil indsamle en masse data.

DNA-origamistrukturer

For at foreslå et alternativ besluttede forskerholdet ledet af Inserm-forsker Gaëtan Bellot ved Structural Biology Center (Inserm/CNRS/Université de Montpellier) at bruge DNA-origami-metoden. Dette muliggør selvsamling af 3D-nanostrukturer i en foruddefineret form ved hjælp af DNA-molekylet som konstruktionsmateriale. I løbet af de sidste ti år har teknikken muliggjort store fremskridt inden for nanoteknologi.

Dette gjorde det muligt for forskerne at designe en "nano-robot" bestående af tre DNA-origami-strukturer. Af nanometrisk størrelse er den derfor kompatibel med størrelsen af ​​en menneskelig celle. Det gør det muligt for første gang at påføre og kontrollere en kraft med en opløsning på 1 piconewton, nemlig en trilliontedel af en Newton – med 1 Newton svarende til kraften af ​​en finger, der klikker på en pen. Det er første gang, at et menneskeskabt, selvsamlet DNA-baseret objekt kan udøve kraft med denne nøjagtighed.

Holdet begyndte med at koble robotten med et molekyle, der genkender en mekanoreceptor. Dette gjorde det muligt at dirigere robotten til nogle af vores celler og specifikt anvende kræfter på målrettede mekanoreceptorer lokaliseret på overfladen af ​​cellerne for at aktivere dem.

Et sådant værktøj er meget værdifuldt for grundforskning, da det kunne bruges til bedre at forstå de molekylære mekanismer, der er involveret i cellemekanosensitivitet og opdage nye cellereceptorer, der er følsomme over for mekaniske kræfter. Takket være robotten vil forskerne også være i stand til at studere mere præcist, på hvilket tidspunkt, når der påføres kraft, vigtige signalveje for mange biologiske og patologiske processer aktiveres på celleniveau.

"Designet af en robot, der muliggør in vitro og in vivo anvendelse af piconewton-kræfter, imødekommer en voksende efterspørgsel i det videnskabelige samfund og repræsenterer et stort teknologisk fremskridt. Robottens biokompatibilitet kan dog betragtes som både en fordel til in vivo-applikationer, men kan også repræsentere en svaghed med følsomhed over for enzymer, der kan nedbryde DNA. Så vores næste skridt bliver at undersøge, hvordan vi kan modificere robottens overflade, så den er mindre følsom over for enzymers virkning. Vi vil også forsøge at finde andre aktiveringsmåder af vores robot ved hjælp af for eksempel et magnetfelt," siger Bellot. + Udforsk yderligere

Hvad de mekaniske kræfter bag proteinfoldning kan fortælle os om metastatisk cancer